一种等离子体发生器的模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电磁流体模拟计算技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器的模拟方 法。
【背景技术】
[0002] 对等离子体发生器内的物理过程的研究有助于更好地控制和利用等离子体发生 器。由于等离子体发生器内部存在着电磁场、电极过程、导电流体以及传热传质之间的复杂 相互作用，对其内部等离子体物理过程的研究非常困难。同时，由于等离子体发生器内部空 间狭小，采用实验手段测量其内部的温度、速度分布以及电弧弧根位置等也同样非常困难。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于，提供一种等离子体发生器的模拟方法，能够对 等离子体发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，成为等离子体发 生器开发的重要手段。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括： 步骤Sl，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模； 步骤S2,对所述建立的模型进行网格划分； 步骤S3,设置所述模型的材料和边界条件； 步骤S4,对所述模型加载磁流体力学MHD模块； 步骤S5,初始化流场； 步骤S6,选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式； 步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。
[0005] 其中，所述步骤Sl建立的等离子发生器模型中，阴极和三个阳极均由循环水冷 却，工作时，首先在阴极和第一阳极间通过高电压击穿，使周围气体电离，最终电弧稳定维 持在阴极和第三阳极之间，工作气体从三个进气口注入，被电弧加热后从第三阳极喷出形 成等离子体射流。
[0006] 其中，所述步骤S2具体包括： 在第一进气口、第二进气口和第一阳极的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为 六面体网格；在壁面附近采用棱柱网格加密；所述各网格质量均大于0. 3。
[0007] 其中，在数值模型中增加延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极出口的影 响。
[0008] 其中，所述步骤S3具体包括： 常温纯氮气分别从所述三个进气口注入，其中所述三个进气口的进孔尺寸、个数、中心 圆圈直径、进气方向、半径夹角、体积流量参数输入到边界条件中；水冷壁面水温和对流换 热系数参数输入到计算边界条件中；假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输 入边界条件中。
[0009] 其中，所述步骤S3具体包括： 将等离子体的物性随温度变化的数据编制表格，导入到Fluent的材料库中。
[0010] 其中，所述步骤S4中所述MHD模块通过命令行激活。
[0011] 其中，所述步骤S4中采用电势法，通过在流体力学控制方程中添加附加的源项实 现親合。
[0012] 其中，所述步骤S4还包括： 在所述MHD模块中选择求解器方程和包含焦耳热的求解器方程，求解器控制中选择速 度场压力场耦合方式，空间离散格式均采用二阶迎风格式，同时选择高阶项松弛以帮助收 敛。
[0013] 其中，所述步骤S5具体包括： 在起初的迭代中关闭电磁方程，只求解流体和能量方程，等计算稳定后，再打开电磁方 程继续求解。
[0014] 其中，所述步骤S6中，所述求解器选择压力基求解器，所述速度场压力场耦合方 式选择SMPLE，所述空间离散格式选择二阶迎风格式。
[0015] 本发明实施例的有益效果在于，克服了现有等离子体发生器的物理过程研究及实 验过程的诸多困难，采用数值模拟方法，以一种经济、有效的技术手段，对等离子体发生器 的物理过程进行数值模拟，对发生器的电场、磁场、热力场、流场进行全面和准确的建模分 析，提供了等离子体发生器工业应用中亟需的分析方法，可以成为等离子体发生器开发的 重要手段。
【附图说明】
[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0017] 图1是本发明实施例一种等离子体发生器的模拟方法的流程示意图。
[0018] 图2是本发明实施例中等离子体发生器的数值模型示意图。
[0019] 图3是本发明实施例中获得的流场的温度示意图。
[0020] 图4是本发明实施例中获得的流场的电流密度示意图。
【具体实施方式】
[0021] 以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
[0022] 本发明采用数值模拟方法，基于ANSYS软件(是由美国ANSYS公司开发的一种融 结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件)，对发生器的电场、磁 场、热力场、流场进行全面和准确的建模分析，可以成为等离子体发生器开发的重要手段。
[0023] 请参照图1所示，本发明实施例提供一种等离子体发生器的模拟方法，包括： 步骤Sl，在ANSYS软件中对等离子体发生器进行三维建模； 步骤S2,对所述建立的模型进行网格划分； 步骤S3,设置所述模型的材料和边界条件； 步骤S4,对所述模型加载磁流体力学MHD模块； 步骤S5,初始化流场； 步骤S6,选择求解器、速度场压力场耦合方式及空间离散格式； 步骤S7，通过模拟计算，获得等离子体发生器在运行期间的各种场数据。
[0024] 以下对各步骤分别进行详细说明。
[0025] 步骤Sl中，对于简单的几何模型，可以在ANSYS DM模块或ICEM模块中完成。复 杂模型可通过UG\Catia等CAD建模后导出。为了节省网格数量，对计算分析结果影响不大 的几何细节可以适度简化。
[0026] 请结合图2所示，等离子发生器的阴极和三个阳极(第一阳极1、第二阳极2、第三 阳极3)均由循环水冷却。工作时，首先在阴极和第一阳极1间通过高电压击穿，使周围气 体电离(简称起弧阶段)，最终电弧稳定维持在阴极和第三阳极3之间。工作气体从三个进 气口（第一进气口 1、第二进气口 2和第三进气口 3)注入，被电弧加热后从第三阳极3喷出 形成等离子体射流。
[0027] 步骤S2的网格划分是在ANSYS前处理工具中完成。具体的，在第一进气口 1、第二 进气口 2和第一阳极1的区域划分为四面体网格，其余部分均划分为六面体网格。在壁面 附近采用棱柱网格加密，以更好的捕捉边界层的效应。网格质量均大于0.3。另外，在数值 模型中增加了延伸段网格，以减少出口边界条件对第三阳极3出口的影响。
[0028] 步骤S3中，等离子体发生器工作时，常温纯氮气（T=300K，P=0. 5MPa)分别从三个 进气口 1、2、3注入，其中进气口 1、2、3的进孔尺寸、个数、中心圆圈直径、进气方向、半径夹 角、体积流量等参数输入到边界条件中。水冷壁面水温和对流换热系数等参数输入到边界 条件中。假设阴极上电流密度分布沿半径变化的函数并编程输入边界条件中。
[0029] 由于电弧等离子体的特殊性，它的辐射既包括连续谱也包括包含成百上千条谱线 的线性谱，并且等离子体的成分也是非常复杂的，这种频率分布和成分的复杂性使得热辐 射的精确计算在现阶段是不可能的。通常，电弧辐射散热的处理是用一个所谓的"净辐射系 数"NEC (Net Emission Coefficient)来近似进行的。大多数的弧柱热福射位于紫外线频 率范围内，而这种频率的热辐射通常认为被电弧边界内的等离子体成分所吸收，为了模拟 电弧的这种特性，采用在电弧边界处取净辐射系数为一负系数的方法。而且在本发明实施 例中，认为电弧热辐射边界为温度8000K处，在温度低于8000K时，热辐射就不再是重要的 热损失机制，此时净辐射系数取为零。
[0030] 本发明实施例的纯氮气等离子体净辐射系数NEC的实验数据取自文献 《Calculation of net emission coefficient in N2 SF6 and SF6- N2 arc plasma》（作 者A Gleizes等）。在Fluent中编制UDF (User-Defined Function，用户自定义函数）子 程序，将NEC实验数据拟合为五阶多项式，通过自定义源项的方式修正能量方程。
[0031] 流体的物性包括密度、粘度、比热、热导率、电导率、磁导率。将等离子体的物性随 温度变化的数据编制表格，导入到Flu